声磁系统原理介绍

2018-09-08 02:30 admin
1.磁致伸缩效应 磁致伸缩效应: 在外磁场作用下,铁磁性物质尺寸变化 ; 在去掉外磁场后,其又恢复原来的长度。由于在磁场作用下,磁致伸缩材料长度线性变化,发生位移 ; 或在交变磁场作用发生反复变化,从而产生振动或声波 ; 这种材料可将电磁能转换成机械能或声能,相反也可以将机械能转换成电磁能; 前者称为磁致伸缩效应,后者称为压磁效应。 在一定磁场强度作用下,铁氧体磁性金属产生长度变化,可以理解是由于磁化而导致原子间距的微小改变。在一个交变磁场中,可以看到磁致伸缩的金属条按照交变磁场的频率在振动。若交变磁场的频率与金属条谐振频率一致的话,其振幅最大,即产生共振,这一效应对坡莫合金(或称铁镍合金)尤其明显。 另一方面,这种磁致伸缩效应又具有可逆性,即压磁效应。因此,当交变磁场频率与声磁标签中的金属条谐振频率一致时,其中坡莫合金条开始振动。当关断交变磁场时,声磁标签就会像音叉一样维持一定时间的阻尼振动,并产生共振信号,作为交变磁场的空间延伸,可通过接收器检测到这种共振信号。 用磁致伸缩系数λ来描述磁致伸缩效应,λ=(LH-L0)/L0,L0为物质原有长度,LH为在外磁场作用下物质变化后的长度。由于坡莫合金具有高磁致伸缩系数,如: Ni50坡莫合金λ=25×10-6,Ni80坡莫合金λ=(0.1"0.5)×10-6,所以,坡莫合金的磁致伸缩系数均较大,标签产生的共振信号也较大。

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2.磁机械耦合系数k 当坡莫合金薄带在偏磁场下受到交变磁场的激励时,由于磁致伸缩效应与压磁效应,薄带内产生磁能与机械能之间的交替转换,这种能量的转换称为磁机械耦合,用磁机械耦合系数k来衡量其大小,并用下述方法确定k值。声磁标签内核心元件是坡莫合金薄带。 根据唯象理论,磁机械耦合系数k表示为: 上式中fr为共振频率,fa为反共振频率。 根据声磁标签测试的谐振曲线,如图2所示。当激励信号频率为57.9kHz时,谐振曲线达到最大值,即fr=57.9kHz ; 当激励信号频率为59.7kHz时,谐振曲线达到最小值,即fa=59.7kHz。因此,计算磁机械耦合系数k=0.251。 显然,声磁标签存在共振点和反共振点,在很小的激励磁场的作用下,它能产生较大的共振信号,而且两点间电压差较大,说明标签有较大的磁机械耦合系数。尖锐谐振曲线表明标签有较高的Q值和较窄的带宽以及较强的选择性。因此,若设置适当偏置磁场,使其工作在特性较好的区域,可以获得较高的共振信号和较强的频率稳定性。
 
3.音叉效应 声磁标签是由小塑料盒组成,长约为40mm,宽为8"14mm,厚为1mm(现有更薄的)。在小盒中,由两种金属条构成类似于音叉的结构,一种是固定在塑料盒上的硬磁金属条,另一种是能自由振动的软磁坡莫合金条。根据标签的特殊材料和结构,导致其具有一定的谐振频率; 当外加交变磁场频率与标签谐振频率一致时,就会产生共振。由于存在磁致伸缩效应与压磁效应,当外加交变磁场消失后,标签仍会产生阻尼振荡,形成磁场能与机械能交替转换模式,产生衰减型共振信号,这是一种声磁复合信号。典型声磁标签的工作频率为58kHz,音叉共振信号类似于超声波,因此,抗干扰能力和穿透力极强,这是区别于其他标签的最大优点。 在利用音叉效应识别过程中,实际上是电磁能与机械能相互转换的过程,但是,由于磁敏器件的换能效率低,需要强大的发射功率,如最小激活磁场强度的典型值大于16A/m,所以,声磁系统的天线检测器较为庞大。

 

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